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1 Temperature Distribution of Workpiece in Plasma Arc Cutting Kazuaki IWATA, KOji SATO Theoretical equation on temperature distribution of workpiece in plasma arc cutting was analyzed. The experimental results measured by thermocouple method were compared with theoretical temperature calculated. The heat effects zone arised from plasma cutting was also investigated from the results of photomicrograph and microvickers hardness tester. These results were summarized as follows: (1) Theoretical temperature calculated showed a good agreement with the experimented one. Theoretical equation analyzed can be used to determine the effect of various factors on temperature distribution of workpiece in plasma cutting, providing the efficiency is assumed correctly. (2) Cutting temperatures of workpiece increased with an increase in heat input and a decrease in cutting speed. Regarding the effect of cutting gas on cutting temperature, cutting temperature of workpiece with nitrogen-oxygen mixture gas was lower than that with argon-hydrogen mixture gas. Also significant decrease of heat effects zone has been made by plasma cutting nitrogen-oxygen mixture gas torches. (3) As the results of the calculation on the heat input, it was found that the width of kerf was affected by the heat consumed for melting.

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6 岩 田一 明,佐 386 藤紘二 (a ) (a ) (b ) 切 断 速 度 : 82cm/min 入 力 : 21kW 作 勤 ガ ス: Ar-H2 ガ ス 流 量 : 45l/min 電 極 間 距 離 : 61nm (b ) ノ ズ ル 径 : 3.2mm 図 9 切 断 速 度:200cm/min入 力 : 47.6kW N2-02ガ ス 流 量=N265l/min0235l/min 切 断 材 料 の顕 微 鏡組 織 な らび に マ イ ク μ ビ ッカ ースかたさ られ る.こ の こ とは,同 じ17.7kWの 離=6mmノ 図 10 入 力 で も切 断 速 作 動 ガ ス: 電 極 間距 ズ ル 径13.2mm 切 断 材料 の 顕 微 鏡組 織 とマ イ クロ ビ ッカー スか た さ 度 を低 下 させ れ ば 切断 可 能 と な る こ と を意 味 す るが, こ れ は 実 験 的 に も確 認 され て い る.ま た,入 力 と切 断 速 度 の 組 み 合せ に よ って 切 断 可 能 範 囲 が 定 ま って く るが, そ の 隈 界 は 上 述 した 切断 限 界熱 量 と密 接 に関 係 す る もの と 考 え られ る. 一 方,表4に 示 す ア ル ミニ ウ ムの 場 合 も溶 融 に使 わ れ る 熱 量 が 増 大 す るに した が って カ ー フ幅 も大 と な るが, 材 料 内 に直 接 伝 導 され る熱 量 は ほ とん ど差 異 が な い こ と が わ か る 4.4 熱影響層 図 11 プ ラズ マ ア ー ク切断 に お いて,材 料 の 切断 部 近 傍 は アル ミニ ウ ム切 断 材 の か た さ 分布 著 る し い温 度 こ う配 を も つ 急熱 急冷 を うけ,そ の結 果 と さの 変 化 は 切 断 面 よ り220μ の と こ ろま で で これ は変 質 して 切 断 部 近 傍 は母 材 とは こ とな っ た熱 影 響 層 を生 じる 層 に一 致 して い る.こ の 場合,切 断 面 近 傍 の ピ ッ カー ス こ とが 考 え られ る.そ こで,顕 微鏡 写 真 な らび に マ イ ク か た さは525と ロ ビ ッ カー ス か た さ計 を用 い て熱 影 響 層 の 観察,測 顕著 な 硬化 を示 して い る. これ にた い して 作 動 ガス と して 窒 素 酸 素 混合 ガ ス を 定を 使 用 した 場 合 は,図10に 行 な った 示 す よ うに 変 質 層 は 切 断 表面 か ら16μと非 常 にせ ま く,ア ル ゴ ソー 水 素 混 合 ガ ス の場 ア ル ゴ ンー 水 素 混 合 ガス を 作動 ガ ス と して 切 断 を行 な った場 合 の代 表 的 な 顕 微 鏡 組 織 な らび に ビ ッカ ー スか た 合 の約1/14と さ を 図9(a)(b)に か ら50μ で,温 度 分 布 の項 で 述 べ た よ うに熱 影 響 層 の 深 示 す.切 断 面 近 傍 の 組 織 は,樹 枝 状 の組 織 を なす 変 質 層,過 熱 に よ り結 晶 粒 が 粗 大 化 した 粗 な り,粗粒 層 もせ ま く,熱影 響層 は 切断面 さ が 問題 と な る よ うな切 断 に は有 効 で あ る. 粒 層,母 材 組 織 と粗 粒 化 した 組 織 の 混 在 した 遷 移 層 な ら ア ル ミニ ウ ム を切 断 した 場 合 の か た さ分布 を 図 11 に び に母 材 層 の 四 つの 層 に大 別 され る こ とが わ か る. 顕 微 示 す,図 か ら明 らか な よ うに かた さの 変化 は ほ とん ど認 鏡 組 織 か らみ た 熱 影 響 層 は切 断 面 か ら430μ で あ るが, め られず,熱 硬 化 に とも な うつ ぎの 加 工 へ の配 慮 はほ と 他 面,マ ん ど必 要 の な い こ とが わか る.し か し,冶 金 的 には 切 断 イ ク ロ ビ ッカ ー スか た さの 面 か らみ る と,か た 14 精密機械 36 巻 6 号

7 1) R.S. Zuchowski, E. Garrabrant: New Development in Plasma-Arc Welding Surfacing, Welding Journal (1964-1) 13. 6) J.I. Masters: Problem of Intense Surface Heating of a Slab Accompanied by a Change of Phase, Jnl. Appl. Phys (1956-5) ) J.E. Shamblin, B.H. Amstead: Plasma Arc Cutting, Welding Journal ( ) ) R.L. O'brien, R.J. Wickham, W.P. Keane: Advances in Plasma Arc Cutting, Welding Journal ( ) ) H.S. Carslaw, J.C. Jaeger: Conduction of Heat in Solids, Second edition, (1959) Oxford University Press.

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